２４小時到達月球（上）

●鐘建業

大約30多年前，一些預言家曾指出，在“阿波羅”計劃之后將出現商業空天飛機、大型軌道空間站以及人們將在地球和逐漸擴大的月球聚居地之間往返飛行。目前，美國航空航天局正在著手建造國際空間站，還在驗證單級入軌可重復使用的運載器技術。除此而外，美國航空航天局的人類空間探索與開發初始計劃還預想了利用地球以外的資源和開發創新性推進技術，這對最初到月球然后到火星的載人太空旅行而言是不可缺少的。今后10年～15年間可能被開發的兩項關鍵技術——月球氧和更先進的推進技術可能為今后具有更先進技術的、經濟的月球運輸系統打下基礎。

月 球 氧

由月球提供的氧經常被認為是在月球表面上將被開發的最有用途的一種資源。由于它可為生命保障系統、燃料箱和月球著陸火箭的液氫化學發動機提供當地的氧源，它將減少月球運輸系統發射費用、尺寸，在低地軌道上的初始質量和復雜性。這樣就可以利用裝液氧的空間運送大量高價搭載物，比如人、實驗設備和科學儀器等，從而減少了月球運輸系統每次任務所需的費用。

考慮將月球氧作為潛在商業產品的另一個重要原因是它很豐富。將近一半的月球表面物質中有氧的成分，而且存在多種提煉技術。“阿波羅17”從月球搜集來的富鐵火山巖或被稱之為“橘紅色土壤”的物質是一種特別重要的、有吸引力的原料，它大量存在，并已被粒化，可不經處理直接供應給月球氧生產廠。在約翰遜航天中心已經成功地進行了提取4％氧的實驗，并將其轉化為小規模的提取操作，大約25噸原料可產出1噸月球氧。

登月之初，核反應堆將起著關鍵的作用。即使在兩星期的月球夜中，它們在低質量條件下可提供豐富的能量以保障遙控月面車輛、生產廠和居住艙的連續運轉。隨著生產性能的提高，月球氧計劃將擴大它的商用范疇，包括金屬加工(比如鐵和鈦)，能量產生，月球著陸工具和低月軌道推進劑補給艙的維持、運轉以及最終的月球旅游業。

研制更先進的推進技術

1988年～1992年間，美國航空航天局對各種月球運輸系統的設想方案進行了考察。其中大部分采用液氫或液氧化學推進，或是一次性使用的或者是部分可重復使用的。當月球著陸運載器在低月軌道上使用時，可重復使用運載器設計采用一個大型空氣剎車使月球運輸火箭重返近地軌道。與此同時，美國劉易斯研究中心考核了熱核火箭的推力，因為熱核火箭有高比沖和高發動機推力。對月球熱核火箭的分析表明，它有許多有吸引力的好處：第一，利用它可實施一個完整的推進任務；第二，任務結束時熱核火箭推動的月球運輸運載器和它的月球著陸飛行器可完全回收；第三，比部分可重復使用的空氣制動化學系統有更小的近地軌道初始質量。

不過，從一開始，可重復使用性就存在幾個缺陷，其一是必須投資支持近地軌道永久性設施——特別是液氫推進劑補給站或一次性使用推進劑的貯箱，以便下次為熱核火箭重裝燃料。專門使用低密度液氫還將增加月球運輸飛行器的尺寸，而且需要將直徑10米的有效載荷防護罩加到運載火箭部件上。為了開發熱核火箭的性能，減小運載器尺寸以及利用月球上的氧，科學家提出了一個革新的推進方案，那就是把傳統液氫冷卻的熱核火箭和超音速燃燒沖壓式噴氣發動機技術結合起來，被稱為液氧增強型熱核火箭，這種技術為具有多種發動機、運載器和任務效益的“革命性”的月球運輸系統提供了基礎。

由劉易斯研究中心和航空噴氣實驗室在1994年提出的液氧增強型熱核火箭，采用“三重模式”的發動機，它可以作為一臺傳統的液氫冷卻熱核火箭、一臺雙推進劑(液氧／液氫)發動機和一個能源反應堆。它的主要組成部分包括一座核裂變反應堆和使推進劑受熱膨脹的噴管、氫氧供給系統積儲箱以及一個閉合的用于產生電能和加速發動機冷卻的“比瑞頓”循環系統。在液氧增強型熱核火箭運轉過程中，氧被注入熱核火箭噴管的大型擴散段，噴管相當于一個“后燃燒室”。在那里，氧與在液氧增強型熱核火箭的音速噴管喉部出現的反應堆加熱的氫自發地燃燒，從而增加超音速燃燒沖壓式噴氣發動機反向推進必需的噴出質量和能量。

液氧增強型熱核火箭有潛力成為非常通用的推進系統。通過改變氫氧混合比(MR)，當核反應堆產生相對穩定的能量輸出時，發動機將能在一個更寬的推力和比沖值范圍里運轉。推力增強特性意味著“大發動機”的性能可以由較小的、更便宜、更易于測試的熱核火箭發動機得到。縮短燃燒時間也可延長發動機壽命而且提高“壽命周期成本”。最后，更多地用高密度液氧代替低密度液氫，不用返回地球而用來自月球的氧為未來的液氧增強型熱核火箭充氧，極大地減小了運載器的尺寸和質量而同時增加了運輸的有效載荷。

如何將理想變為現實

美國航空航天局已經研究了利用月球軌道匯合點的改進型任務構想。他們試圖：第一，減少空間基礎設施的早期投資；第二，取消體積和重量都很大的起飛助推器；第三，盡可能增大每次月球登陸任務的月面有效載荷；第四，盡量減少月球往返系統的“重復使用費用”。為了達到上述目的，期望一系列貨物的運輸和有人駕駛的飛行，最初使用一次性的“完全液氫”熱核火箭系統以最大限度地運送月面有效載荷。每次飛行增加的有效載荷專門用于運送“模塊化”的月球氧的生產設備，目的是開發和應用月球氧，以盡早為月球著陸火箭和月球運輸運載器充氧，然后過渡到可重復使用的液氧增強型熱核火箭結構并改善“壽命循環費用”。已出現的政府費用的節余和使用月球氧的工業利潤將逐漸被再投資發展另外的空間設施，比如低地軌道和低月軌道推進劑補給站，從而支持以后的重復使用。由于一次性使用運載器的近地軌道初始質量和大小都有所減少，可使用兩個具有66噸抬升能力的航天飛機運送部件到近地軌道，然后借助簡單的匯合點和在外層空間匯合機動性完成運載器的組裝。

當月球前哨的貴重器材和月球氧的生產水平足夠支持月球表面基地的月球著陸火箭時，就算成功地邁出了減少空間運輸費用的顯著的第一步。沒必要每次飛行都運送帶有“液氧”的月球著陸火箭到近月軌道上，一次性使用的熱核火箭已有足夠的推進劑能力在重復使用模式下運轉，而且能將至少9噸的有效載荷運到近月軌道。在每次新任務之前，一次性使用的航天飛機推進劑儲箱將被用于為熱核火箭重加燃料。

第二步，當月球氧可在近月軌道使用時，兩個熱核火箭將用液氧推進劑補給系統和用于雙推進運作的后燃燒室噴管裝填液氧。向以“液氧增強型熱核火箭”為基礎的月球結構的轉變將從較小的、可重復使用的月球運輸飛行器開始，每次飛行中能運輸至少36噸貨物和地球供給的液氫到近月軌道(增加了400％的有效載荷)。以月面為基礎的月球著陸火箭將運送月球氧到近月軌道補給站，之后裝上液氫和非推進劑貨物返回月球。

在去月球的路上，采用液氧增強型熱核火箭的月球運輸運載器加倍了液氫儲箱，返回地球前就可加21噸月球氧。在往返的路上，液氧增強型熱核火箭發動機的運轉中氫氧混合比為3，這使熱核火箭推力輸出量增加約275％。推力增量還減少了總飛行燃燒時間約30分鐘——一次性使用的熱核火箭系統飛行時間的一半，因此增加了發動機壽命而且減少了月球運輸系統的重復使用費用。

成冠倫圖